(57)【要約】【課題】固定焦点デジタルカメラの焦点位置調節を比較的短時間のうちに行うことができる焦点位置調節システムを実現する。【解決手段】ＰＤＡ等に組み込まれるカメラモジュール４０は、焦点位置調整用の螺合部分が形成された鏡胴４６を有する。焦点調節ステーション８０内にセットされたカメラモジュール４０はモジュールインタフェース１００を介してマイクロコントローラ８２と接続され、駆動部組立体８４にシャフト１０４を介して接続されたギヤ１０６が鏡胴４６の外周に形成されたギヤと噛み合い、ギヤ１０６が駆動されてカメラモジュール４０の焦点位置の調節が行われる。カメラモジュール４０がテストターゲット８６上のテストパターンの画像を撮像し、その画像結像状態から焦点調節精度が求められて、マイクロコントローラ８２はバレル４０を繰り出すか繰り込むかを判定する。【選択図】図３
2006146207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージセンサを用いてデジタルカメラモジュールの焦点調節をする方法であって、
前記デジタルカメラモジュールを用いてテストターゲットの画像を取り込むことと、
前記イメージセンサを用いて前記画像の焦点調節精度を判定することと、
前記イメージセンサから前記デジタルカメラモジュールの外部にある焦点調節ステーションへ、前記画像の前記焦点調節精度に関する信号を供給することと、
引き続いて取り込まれる画像の焦点調節精度を改善するために、前記デジタルカメラモジュール内の前記イメージセンサからのレンズの位置を変更すべきか否かを判定することとと
を含むことを特徴とする、イメージセンサを用いてデジタルカメラモジュールの焦点調節をする方法。
【請求項２】
前記画像の前記焦点調節精度を判定することは、前記画像の空間一次微分の分散を求めることを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記画像の前記空間一次微分の前記分散は、前記画像の１つまたは複数の対象領域のみを解析することにより求められ、前記１つまたは複数の対象領域の総和は、前記取り込み画像全体よりも小さい範囲を形成することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記画像は、背景および少なくとも１つの対象物を含むテストターゲットを表し、
１つまたは複数の対象領域を解析することであって、前記１つまたは複数の対象領域はそれぞれ、前記背景の一部および前記少なくとも１つの対象物の一部を表し、前記１つまたは複数の対象領域の総和は、前記取り込み画像全体よりも小さい範囲を画定する、解析すること
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの対象物は複数の対象物であり、前記１つまたは複数の対象領域はそれぞれ、前記背景の一部および前記複数の対象物のうちの異なる１つの一部を表すことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記１つまたは複数の対象領域は、複数の対象領域であり、前記複数の対象領域は、前記複数の対象領域の解析時に、前記取り込まれる画像全体の総合的な焦点調節精度を提供するように配置されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記信号は、前記画像の前記焦点調節精度に正比例する電圧レベルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記画像は、第１の画像の後に取り込まれる第２の画像であり、さらに、前記信号は、前記第２の画像の前記焦点調節精度が、改善された焦点調節精度、低下した焦点調節精度、および前記第１の画像の焦点調節精度と比較して同じ焦点調節精度のうちの１つであることを示す２値信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記イメージセンサに対する前記レンズの位置を調整することであって、それにより、前記引き続いて取り込まれる画像の前記焦点調節精度を改善する、調整すること
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記レンズの位置を調整することは、前記焦点調節精度を改善するように前記レンズを調整するための方向を決定することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
テストターゲットを表す画像を取り込むデジタルカメラモジュールであって、
焦点モードで動作するように構成されるイメージセンサであって、前記焦点モードにおいて前記イメージセンサは、取り込まれる画像の焦点調節精度を判定するとともに、前記焦点調節精度に関連する信号を供給するように構成される、イメージセンサと、
前記イメージセンサから離間したレンズであって、前記レンズが前記イメージセンサから離間する距離は、前記取り込まれる画像の前記焦点調節精度に基づいて調整可能である、レンズと
を備えることを特徴とするテストターゲットを表す画像を取り込むデジタルカメラモジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載のデジタルカメラモジュールの焦点位置を固定するための焦点調節ステーションであって、
前記デジタルカメラモジュールのバレルと接続されるように構成される駆動部組立体と、
前記デジタルカメラモジュールから信号を受け取るとともに、前記デジタルカメラモジュールから受け取った信号に基づいて、画像の焦点調節精度を改善するために前記バレルを回転させる方向を決定するように構成されるマイクロコントローラであって、前記バレルの回転により、前記レンズが前記イメージセンサから離間する距離が調整される、マイクロコントローラと
を備えることを特徴とする、請求項１１に記載のデジタルカメラモジュールの焦点位置を固定するための焦点調節ステーション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラの製造工程内において焦点調節をする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のデジタルカメラは、被写体から反射した光をレンズを通してイメージセンサに集光するように構成されている。イメージセンサは、受け取った光パターンをすぐに一連の画素値へと分解し、それらは処理されて被写体のデジタル画像が形成される。
【０００３】
デジタル画像技術の使用に対する人気は高まり続けており、それに伴って生産量も増えている。生産量が増加しているのは、従来のデジタルカメラの人気が高いためだけでなく、移動電話（携帯電話）、携帯情報端末（ＰＤＡ）、および他の電子装置等、種々の最終製品に小型の固定焦点式デジタルカメラが組み込まれているためでもある。
【０００４】
固定焦点式デジタルカメラモジュールの製造の際には、比較的良好に焦点の合ったデジタル画像を提供するように、イメージセンサに対するレンズの位置決めを最適化することが望ましい。従来では、カメラモジュールは焦点調節ステーション（焦点調節処理工程）内で処理される。焦点調節ステーションに配置されると、カメラモジュールが起動されて、フォーカスターゲットを表す静止画像またはビデオ出力信号が生成される。画像またはビデオ出力を解析するために、焦点調節ステーションは、フレームグラバまたはデジタルフレームグラバ等の市販品のハードウェアを利用し、このようなハードウェアを用いて、カメラモジュールからデジタルビデオ信号を取り込んで、焦点調節ステーション内に設置されたパーソナルコンピュータ等のコンピュータ処理ユニットのメモリに格納する。
【０００５】
焦点調節ステーションのメモリ内に格納された画像の焦点調節の程度は、パーソナルコンピュータによって解析されて、カメラモジュールの焦点調節レベル、およびカメラモジュールの焦点を調整する必要があるか否かが判定される。したがって、この従来の動作では、カメラモジュールは単に、カメラモジュールの通常の使用中にカメラモジュールが出力するのと同じビデオストリームまたは信号ストリームを出力する。焦点調節ステーションは、通常のカメラモジュール出力を分解し、格納し、かつ計算を実行して、カメラモジュールの焦点調節レベル（精度）を判定する。この点で、かなり大規模な開発およびかなりの金額が焦点調節システムの提供に費やされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、低廉で比較的短時間のうちに焦点調節を行うことの可能な焦点調節システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、イメージセンサを用いてデジタルカメラモジュールを焦点調節する方法を提供する。本方法は、デジタルカメラモジュールを用いてテストターゲットの画像を取り込むこと、イメージセンサを用いて画像の焦点調節精度を判定すること、デジタルカメラモジュールからデジタルカメラモジュールの外部にある焦点調節ステーションへ、画像の焦点調節精度に関する信号を出力すること、および引き続いて取り込まれる画像の焦点調節精度を改善するために、デジタルカメラモジュール内のイメージセンサからのレンズの位置を変更すべきか否かを判定することを含む。
【０００８】
本発明の実施の形態は、添付図面を参照すればより良く理解される。図面の要素は必ずしも互いに同一の縮尺にはなっていない。同じ参照符号は対応する同様の部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に記載する詳細な説明では、本明細書の一部を成すとともに、本発明を実施することができる特定の実施形態を例として示す添付図面を参照する。その際、「上方の」等の方向を示す用語は、説明している図（複数可）の向きを基準として用いられる。本発明の実施形態の構成要素は、複数の異なる向きに配置することができるため、方向を示す用語は例示を目的として用いられており、決して限定的なものではない。本発明の範囲から逸脱せずに、他の実施形態を利用してもよく、また、構造的または論理的変更を行ってもよいことを理解されたい。したがって、以下に記載する詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
【００１０】
図１は、デジタルカメラ１０の主要構成要素を示すブロック図である。カメラ１０は、レンズ１２、イメージセンサ１４、シャッタコントローラ１６、プロセッサ１８、メモリ２０、入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース２２、シャッタボタン２４、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２６、およびユーザ入力装置２８を備える。動作時には、ユーザがシャッタボタン２４を押すと、プロセッサ１８およびシャッタコントローラ１６がイメージセンサ１４に、被写体（図示せず）から反射した光をレンズ１２を通して取り込ませる。イメージセンサ１４は、取り込んだ光を画素データに変換し、画像を表す画素データをプロセッサ１８に出力する。
【００１１】
画素データはメモリ２０に格納され、取り込み画像（撮影された画像）はＬＣＤ２６に表示され得る。一実施形態では、メモリ２０には、或るタイプのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および不揮発性メモリが含まれるが、任意の適したタイプのメモリ記憶装置が含まれてもよい。一実施形態では、メモリ２０には、電気的に消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）等の或るタイプのプログラム可能読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）が含まれる。メモリ２０は、プロセッサ１８を制御するための制御ソフトウェア３０を格納する。
【００１２】
Ｉ／Ｏインタフェース２２は、コンピュータまたは他の適当な電子装置（例えば、ＰＤＡ、移動電話または携帯電話等）に結合されて、電子装置とデジタルカメラ１０との間での情報の転送、例えばカメラ１０から電子装置への撮影された画像のダウンロード、を行うように構成される。ユーザ入力装置２８によって、ユーザはカメラ１０のユーザ定義可能な設定を変更することができる。
【００１３】
図２は、従来のデジタルカメラ１０で用いられるか、または構成要素（コンポーネント）、ＰＤＡ、携帯電話等の他の電子装置に組み込まれる、固定焦点式カメラモジュール４０の分解図を示す。カメラモジュール４０は、イメージセンサ１４、オプションの赤外線フィルタ（ＩＲＦ）４２、ハウジング４４、レンズ１２、およびバレル（鏡胴）４６を備える。一実施形態では、イメージセンサ１４は、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイスである。一実施形態では、イメージセンサ１４は、画像を取り込むことが可能であるだけではなく、取り込み画像を処理することが可能な回路も含む。イメージセンサ１４は、出力ピン４８またはイメージセンサ１４からハウジング４４の外部の地点まで延びる他の通信装置に接続される。出力ピン４８は、信号または他の情報を他の装置に伝えることを可能にする。一実施形態では、出力ピン４８はアナログ信号または２値信号を出力する。
【００１４】
一実施形態では、イメージセンサ１４は、以下でさらに説明するように、通常のビデオまたは写真出力モードおよび焦点テストモードを含む少なくとも２つのモードで機能するようになっている。一実施形態では、イメージセンサ１４は、基板すなわちハウジング底面（基板）４９に取り付けられる。一実施形態では、ＩＲＦ４２は、イメージセンサ１４の上に配置される。ＩＲＦ４２は、カメラモジュール４０により取り込まれた光をフィルタリングして、赤外（不可視）光によるイメージセンサ１４の汚染を低減する。
【００１５】
一実施形態では、ハウジング４４は、ベース部５０および延出部５２を含む。ベース部５０は、ベース部５０を矩形状に形成するようにまとめて組み立てられた４つの側壁５４を含む。側壁５４の縁部間には平坦部材５６が部分的に延びる。延出部５２は、平坦部材５６の外面５８から延びる。
【００１６】
一実施形態では、延出部５２は、側壁５４で囲まれる領域の中央にある。延出部５２は環状（円筒状）の形状であり、雌ねじ面６０が内部に形成されている。一実施形態では、延出部５２は、ベース部５０と一体かつ均質に形成（一体成形）される。他の実施形態では、延出部５２は、ベース部５０に一体的に固定される。
【００１７】
バレル４６は、第１の環状部６２と、ほぼ環状の形状を有する第２の環状部６４を画定する。第１の環状部６２は、ハウジング４４の雌ねじ面６０と選択的に相互作用するように構成される雄ねじ面６６が形成されている。第１の環状部６２は、レンズ１２を円環状に囲むように、中空または管状である。バレル４６の第２の環状部６４は、第１の環状部６２から半径方向に内外に延びる。第２の環状部６４の中央には開口６８が形成されている。開口６８は円形であることが好ましい。第２の環状部６４は、第１の環状部６２の雄ねじ面６６により画定される最外径よりも大きい最外径を画定する。一実施形態では、第２の環状部６４の外周７０には、外周７０に沿って円周方向に離間した複数の歯７２が形成されている。したがって、第２の環状部６４は、実質的に歯車を形成する。
【００１８】
組み立ての際、ＩＲＦ４２はイメージセンサ１４の上に配置される。ハウジング４４が基板４９に固定されて、ＩＲＦ４２をイメージセンサ１４とハウジング４４との間に挟む。一実施形態では、ねじ７４、またはばねクリップ等の他の締結具を用いて、ハウジング４４を基板４９に結合する。代替の一実施形態では、ハウジング４４は、締結具７４ではなく接着剤または他の化合物を用いて、基板４９またはイメージセンサ１４に取り付けられる。一実施形態では、ハウジング４４は、接着剤および締結具７４を用いて基板４９に結合される。
【００１９】
レンズ１２は、バレル４６の第１の環状部６２内に固定されるサイズになっている。特に、一実施形態では、レンズ１２は、第１の環状部６２の内周と相互作用する外周部を有する。バレル４６は、ハウジング４４の延出部５２内に少なくとも部分的に配置される。特に、バレル４６は、バレル４６の雄ねじ面６６が延出部５２の雌ねじ面６０と相互作用して、レンズ１２およびバレル４６をハウジング４４に選択的に固定するように配置される。
【００２０】
バレル４６を回転させると、バレル４６はハウジング４４の延出部５２のさらに奥に移動するか、またはハウジング４４の延出部５２からさらに出るように移動する。その結果、バレル４６の回転は、レンズ１２をイメージセンサ１４に対して近づくように、または離れるように移動させる役割も果たす。バレル４６が回転し、その結果、レンズ１２がイメージセンサ１４に対して移動することにより、カメラモジュール４０を概ね焦点調節することができる。
【００２１】
カメラモジュール４０の組み立て後、カメラモジュール４０は、焦点調節ステーション８０内に送られるか、または焦点調節ステーション内に配置される。これに関する一実施形態を図３に示す。焦点調節ステーション８０は、マイクロコントローラ８２、駆動部組立体８４、テストターゲット８６、および光源８８を含む。マイクロコントローラ８２は、カメラモジュール４０とインタフェースするようになっており、電気接続９０等を介して駆動部組立体８４に電気的に接続される。一実施形態では、マイクロコントローラ８２は、カメラモジュール４０の出力ピン４８と結合するモジュールインタフェース１００を含む。したがって、一実施形態では、モジュールインタフェース１００は、出力ピン４８からアナログ信号または２値通信信号の少なくとも一方を受け取るように構成される。一実施形態では、マイクロコントローラ８２は、カメラモジュール４０からのビデオ通信（信号）を受け取ることができないことを特徴とする。
【００２２】
駆動部組立体８４の一実施形態は、モータ１０２、シャフト１０４、および歯車またはギヤ１０６を含む。シャフト１０４はモータ１０２に結合され、モータ１０２は、マイクロコントローラ８２によって指示されると、その長手方向軸の周りでシャフト１０４を選択的に回転させるように構成される。ギヤ１０６は、モータ１０２とは反対側でシャフト１０４に結合される。したがって、シャフト１０４の回転により、シャフト１０４の軸の周りでのギヤ１０６の回転も引き起こされる。
【００２３】
一実施形態では、ギヤ１０６は、ギヤ１０６の残り（歯元）の部分から半径方向に延びるとともに、ギヤ１０６の全周にわたって互いに円周方向に離間した複数の歯１０８を含む。一実施形態では、駆動部組立体８４は、マイクロコントローラ８２に対して位置決めされるため、マイクロコントローラ８２がカメラモジュール４０と結合されると、ギヤ１０６の歯１０８の一部がカメラモジュール４０の歯７２の一部と噛み合う。したがって、ギヤ１０６が回転すると、バレル４６は同様の速度（周速）で、ただし逆方向に回転することになる。
【００２４】
テストターゲット８６は、略平坦であり、かつマイクロコントローラ８２から離間しているため、マイクロコントローラ８２をカメラモジュール４０と選択的に結合させると、カメラモジュール４０がテストターゲット８６に向けられて、テストターゲット８６の画像を取り込む。特に、テストターゲット８６は、カメラモジュール４０を焦点調節ステーション８０内に配置すると、カメラモジュール４０がテストターゲット８６から距離Ｄだけ離れて位置するように位置決めされる。一実施形態では、距離Ｄは、カメラモジュール４０のレンズ１２の過焦点距離と略等しい。
【００２５】
さらに図４を参照すると、一実施形態では、テストターゲット８６は、少なくとも１つのハイコントラストの図形または対象物を含む。特に、一実施形態では、テストターゲット８６は、白色または略白色の背景１１０と、背景１１０から明確に分かれる境界線を有する少なくとも１つのベタ黒の図形または対象物１１２とを含む。別の言い方をすれば、背景１１０と図形または対象物１１２との間の境界線は、不鮮明または段階的なものではなく、明確ではっきりとしている。一実施形態では、図形または対象物１１２は、背景１１０の色に対してハイコントラストな任意のベタ色である。
【００２６】
一実施形態では、テストターゲット８６は、背景１１０上に複数のベタ色テスト対象物１１２を含む。例えば、テストターゲット８６は、テストターゲット８６の中央付近に位置決めされた対象物１１２を含み、さらに、テストターゲット８６の周縁の比較的近くに離間して位置決めされた複数のさらなるテスト対象物１１４を含む。これを考慮すると、テストターゲット８６は、略格子状（市松模様）のパターンで形成される。図３を参照すると、光源８８はテストターゲット８６に向けられ、テストターゲット８６に照明および光を与え、この光が、カメラモジュール４０のレンズ１２によって取り込まれるようにテストターゲット８６から反射される。
【００２７】
製造の際には、カメラモジュール４０は焦点調節ステーション８０に収容される。より詳細には、カメラモジュール４０は、焦点調節ステーション８０内に位置決めされて、出力ピン４８がマイクロコントローラ８２のモジュールインタフェース１００と結合される。カメラモジュール４０はまた、テストターゲット８６に向けられるように位置決めされるため、バレル４６の歯７２の一部がギヤ１０６の歯１０８の一部と噛み合う。
【００２８】
図５は、焦点調節精度に関するレンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離の関係をグラフで示す。より詳細には、Ｘ軸１２０はレンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離を表す。Ｙ軸１２２は焦点調節精度を示す。２つの値間の関係は、曲線または線１２４で示されるようにベル曲線に似ている。これに関して、最適な合焦点は、点１２６で概ね示す曲線１２４の頂点で生じる。一実施形態では、最適な合焦点１２６は、以下で説明するように、予め設定された増分で調整される場合に、焦点調節ステーション８０内で既存の条件下でカメラモジュール４０において得ることができる最良の焦点である。
【００２９】
図５に示す関係により、固定焦点式カメラモジュール４０の製造の際には、レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離を調整して、カメラモジュール４０により取り込まれる画像がイメージセンサ１４に結像されて見えることを確実にする最適な距離を得るようにする。したがって、この最適な距離は、最適な合焦点１２６に概ね対応する。「最適な合焦」、「最適な合焦点」等の用語は、本明細書で用いる場合、レンズ１２の位置が所定の増分で調整される場合にカメラモジュール４０に関して得ることができる最良の相対焦点レベルを指す。したがって、最適な焦点は、最良であり得る焦点の絶対レベルではない。
【００３０】
上記の関係を考慮すると、カメラモジュール４０が線１２４上の点１２８にくるように最初に組み立てられた場合、レンズ１２は最適な焦点調節精度を提供するように位置決めされたことにならない。レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離が点１２８から縮まった場合、それに従って焦点調節精度も低下することになる。あるいは、レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離が点１２８から広がった場合、カメラモジュール４０の焦点調節精度は高くなる。
【００３１】
しかしながら、カメラモジュール４０が点１３０にくるように最初に構成された場合、レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離を変えることにより、点１２８からの調整に関して上述したのと逆の効果が得られることになる。より具体的には、レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離を広げると焦点調節精度が低下し、レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離を縮めると焦点調節精度が高くなる。したがって、カメラモジュール４０が線１２４上における最初の位置（より具体的には、最初の位置が最適な合焦点１２６の左側にあるか右側にあるか）は、焦点調節精度を高めるためにレンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離を広げるべきか縮めるべきかを示す。カメラモジュール４０の最適な焦点の達成は、図５に示すこの関係の仕組みに依存する。
【００３２】
例えば、図６は、全体を１５０で示す焦点最適化プロセスの一実施形態を示すフローチャートであり、これは図３をさらに参照して、図５の概念に基づいて最も分かりやすく説明される。１５２において、カメラモジュール４０を焦点調節ステーション８０内に配置する。特に、カメラモジュール４０をマイクロコントローラ８２と選択的に結合するように位置決めし、レンズ１２をテストターゲット８６に向けてテストターゲット８６を撮像する。特に、一実施形態では、カメラモジュール４０をテストターゲット８６から離間させて、ただしテストターゲット８６の中央にくるように配置する。一実施形態では、焦点調節ステーション８０はさらに、焦点調節ステーション８０内にカメラモジュール４０を適切に位置決めするのを補助する治具または他の部材（図示せず）を含む。
【００３３】
カメラモジュール４０を焦点調節ステーション８０内に適切に位置決めすると、駆動部組立体８４のギヤの歯１０８の一部がカメラモジュールのバレル４６の歯７２の一部と噛み合う。１５４において、カメラモジュール４０を焦点調節ステーション８０に電気的に結合する。特に、一実施形態では、マイクロコントローラ８２のモジュールインタフェース１００が、カメラモジュール４０の出力ピン４８を受け入れて、カメラモジュール４０からアナログ信号または２値信号の少なくとも一方を受け取る。
【００３４】
１５６において、カメラモジュール４０は、テストターゲット８６を表す画像を取り込むように動作する。しかしながら、焦点調節ステーション８０にある間、カメラモジュール４０のモードは、通常の写真またはビデオモードではなく焦点調節モードである。したがって、テストターゲット８６の画像を取り込んでも、カメラモジュール４０はデジタル表現の画像やビデオストレージ用の信号を直接出力することはしない。一実施形態では、テストターゲット８６を表す画像は、テストターゲット８６全体を取り込んだものである。例えば、図４に示すテストターゲット８６を用いる場合、テストターゲット８６を表す画像は、背景１１０と、対象物１１２および１１４の全体とを表す。
【００３５】
１５８において、画像の空間一次微分の分散を、カメラモジュール４０内のイメージセンサ１４（図２に示す）を用いて求める。さらに図７を参照して、一実施形態では、１５８において画像の分散を求めることは、１６０において画像の空間一次微分を導出することを含む。画像の空間一次微分を導出する第１のステップは、１６２において、原画像（元の画像）を１画素だけシフトさせることである。図８に全体的に示すように、最初の画像すなわち原画像１６４は、テストターゲット８６を表し、したがって、それぞれ対象物１１２および１１４（図４に示す）を表す表現１６７および１６８を含む。イメージセンサ１４によって一時的に格納されている原画像１６４を、一方向に１画素だけシフトさせる。図８に示す実施形態では、原画像１６４を、矢印１７０で示すように負のＸ方向に１画素だけシフトさせて、１６４’の破線で全体を示すシフトした画像を生成する。
【００３６】
１６６において、シフト画像１６４’を、解析されている各画素ごとに原画像１６４から減算する。例えば、適切に合焦した画像１６４では、画素１７４は黒色画素として現れる。あるいは、シフト画像１６４’では、画素１７４はターゲット背景１１０（図４に示す）と同様の白色画素として現れる。画素１７４においてシフト画像１６４’を原画像１６４から減算すると、黒色と白色との極端な差分により、画素１７４において大きな正の差分が見られる。
【００３７】
画素１７６等の他の画素では、原画像１６４の画素１７６は白色となるが、シフト画像１６４’の画素１７６は黒色となる。１６６において画像を減算すると、大きな負の差分が見られる。さらに他の画素では、画素は画像１６４および１６４’それぞれにおいて黒色または白色のいずれか一方のままであるため、減算しても差分はゼロである。
【００３８】
特に、原画像１６４がぼけていた場合、画素１７４は原画像１６４および／またはシフト画像１６４’において灰色に見える場合がある。そのため、原画像１６４からシフト画像１６４’を減算すると、画素１７４および１７６それぞれにおいて比較的小さい正の差分および小さい負の差分が得られる。したがって、画素の差分すなわち微分の絶対値が大きいほど、各画素における差分または微分の絶対値が小さい他の場合よりも原画像１６４が良好に合焦されていることを一般に示す。したがって、シフト画像１６４’が各画素において原画像１６４から減算されると、空間微分としても知られている一次微分が、画像１６４に関して求められる。
【００３９】
１８０において、１６６において各画素で求めた差分または微分を二乗して、正または負によらない、結果の特徴を得る。各画素の差分を二乗することにより、負の差分を正の差分と直接比較することができ、この場合、絶対値または二乗値が大きいほど、合焦度が高いことを一般に示す。１８２において、１８０で得られた二乗値を合計して、二乗した画素の微分または差分の和を求め、画像の空間一次微分の分散を得る。この分散が、カメラモジュール４０の焦点調節精度を直接的に示すものであるところの、画像１６４の焦点計測値を与える。より具体的には、画像１６４の空間一次微分の分散が大きいほど、カメラモジュール４０の焦点調節精度は高い。
【００４０】
１８４において、分散をカメラモジュール４０から、マイクロコントローラ８２とカメラモジュール４０との間の電気接続を介して、マイクロコントローラ８２に出力する。一実施形態では、分散は、アナログ信号としてマイクロコントローラ８２に出力される。より具体的には、相対分散レベルは、様々なレベルの電圧を用いてマイクロコントローラ８２に出力され、この場合、電圧が高いほど分散が大きいことを示し、電圧が低いほど分散が小さいことを示す。したがって、電圧レベルを用いての出力は、分散および焦点調節精度に正比例する。一実施形態では、カメラモジュールは、分散レベルを示す電圧をマイクロコントローラに出力するのではなく、分散が増大している場合には＋１の値、分散が減少している場合には−１の値等、２値通信（信号）を出力する。この実施形態では、焦点最適化プロセスのさらなる比較ステップが、焦点調節ステーションのマイクロコントローラではなくイメージセンサによって実行される。
【００４１】
１８６において、マイクロコントローラ８２が、これが焦点最適化プロセス１５０を通して１度目か否かを判定する。これが焦点最適化プロセス１５０を通して１度目であったと判定される場合、１８８において、マイクロコントローラ８２は、所定の増分の回転で第１の方向にギヤ１０６を回転させるようモータ１０２に信号を送る。ギヤ１０６の歯１０８はバレル４６の歯７２と噛み合っているため、ギヤ１０６が回転すると画像コントローラのバレル４６も同様に回転する。バレル４６とハウジング４４との間がねじ接続されているため、バレル４６、したがってレンズ１２を回転させると、バレル４６およびレンズ１２の両方が、所定の増分すなわち量だけ、ハウジング４４のさらに奥に移動するか、またはハウジング４４からさらに出るように移動する。
【００４２】
イメージセンサ１４からのレンズ１２の距離が、所定の増分でイメージセンサ１４から第１の方向に（すなわち近づくかまたは離れるように）変更された後、ステップ１５６、１５８、１８４、および１８６が繰り返される。１８６において、これが焦点最適化プロセス１５０を通して１度目ではないと判定されると、１９０において、マイクロコントローラ８２は、分散に関連する信号（以下、これを「分散関連信号」と称する）が、シーケンスの前回に受け取った分散関連信号と比較して改善しているか否かを判定する。特に、第２の分散関連信号が第１の分散関連信号よりも大きい場合、分散関連信号は改善している。反対に、第２の分散関連信号が第１の分散関連信号よりも小さい場合、分散関連信号は改善していない。
【００４３】
分散関連信号が改善していると分かった場合、１９２において、マイクロコントローラ８２は、レンズ１２がステップ１８８において以前調整された方向と同じ方向にレンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離を調整するよう、駆動部組立体８４に信号を送る。例えば、駆動部組立体８４がステップ１８８においてギヤ１０６を時計回りの方向に回転させた場合、ステップ１９２において、駆動部組立体８４はギヤ１０６を再び時計回りの方向に回転させる。一実施形態では、調整するごとに、レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離を、約２ミクロン〜約２０ミクロンの範囲の所定の増分で変更する。さらに特定の一実施形態では、各所定の増分は、約５ミクロン〜約１０ミクロンの範囲である。
【００４４】
１９２における２度目の調整の後、ステップ１５６、１５８、１８４、１８６、および１９０が繰り返される。１９０において、分散関連信号が改善されていないと判定された場合、１９４において、マイクロコントローラ８２は、レンズ１２からイメージセンサ１４（図２に示す）までの距離を、レンズ１２が直前のステップ１８８または１９２において調整された方向とは逆の方向に調整するよう、駆動部組立体８４に信号を送る。別の言い方をすれば、モータ１０２が以前のステップ１８８または１９２においてギヤ１０６を時計方向に回転させた場合、１９４において、モータ１０２はギヤ１０６を反時計方向に回転させる。したがって、レンズ１２を備えるバレル４６は、最初はギヤ１０６の時計方向の回転によってイメージセンサ１４に１増分だけ近づいたが、今度は、ギヤ１０６の反時計方向の回転によってイメージセンサ１４から１増分だけ離れる。
【００４５】
１９４におけるレンズ１２の調整の後、１９６において、マイクロコントローラ８２は、分散関連信号が直近のステップ１９０の実行前には改善していた（改善傾向にあった）か否かを判定する。１９６において、分散関連信号が以前には改善していたと判定される場合、それは、焦点調節精度または分散が最適な合焦点（図５の点１２６を参照）に向かって増加していたことを示し、現状では最適な合焦点１２６を超えていて、全体としての焦点調節精度が低下していることを示す。したがって、レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離が、ステップ１９４において１増分だけ戻すように調整されることにより、レンズ１２はイメージセンサ１４から最適なモジュール合焦点に対応する距離のところに戻る。したがって、焦点のテストおよび固定が終了し、１９８において、カメラモジュールが製造の次の段階に進められる。
【００４６】
これに対して、１９６において、分散関連信号が以前には改善していなかった（改善傾向にはなかった）と判定される場合、それは以前に、焦点調節精度を高めるためとしてはレンズ１２が誤った方向に調整されていたこと、言い換えれば、実際にはレンズ１２が図５を参照して上述した焦点調節精度を低下させる方向に調整されていたことを示す。したがって、１９４においてレンズ１２を異なる方向に移動させることにより、レンズ１２は、今度は焦点調節精度を高める（すなわち、図５に示す最適な合焦点１２６に向かって移動する）のに適した方向に調整される。１９６における、分散関連信号が以前には改善しておらず（改善傾向にはなく）、レンズ１２が今度は適切な方向に調整されているという判定の後、プロセス１５０はステップ１５６に戻り、ステップ１５６、１５８、１８４、１８６、および１９０、ならびにステップ１９２または１９４が終了する。プロセスは、焦点最適化プロセス１５０が上述したようにステップ１９８に続くまで続けられ、カメラモジュール４０の最適な焦点が得られてカメラモジュール４０の焦点が固定される（すなわち、レンズ１２とイメージセンサ１４との間の距離が、カメラモジュール４０の使用中に調整可能でないように固定される）。
【００４７】
一実施形態では、上述のように、第１の方向に最適な合焦点１２６を超えて移動し、１増分だけ後退して点１２６に戻るのではなく、レンズ１２は、分散が改善されていた以前の状態に続いて、初めて分散の減少が見られた地点から、いずれかの方向に既知のオフセット距離だけ移動して、所望の最適な焦点レベルを得る。一実施形態では、最適な合焦点１２６を第１の方向に通過した後、レンズ１２は、最適な合焦点１２６を逆方向に再び通過して、最適な合焦範囲を効果的に画定する。一実施形態では、最適な合焦範囲を特定すると、レンズ１２は、特定された最適な合焦範囲の中間点に移動するか、または、その中間点から所定のオフセットだけ移動して所望の最適な合焦点で止まる。一実施形態では、所望の最適な合焦点を決定するために選択される方法は、少なくとも部分的に、カメラモジュール４０の機械公差や精度、および焦点調節ステーション８０に応じて決まる。
【００４８】
上述の焦点最適化プロセスおよびシステムは、テストプロセスの多くの部分が実際には焦点調節ステーションによってではなくイメージセンサによって達成されることを可能にする。イメージセンサ上にすでにおおよその配置がなされた処理要素を用いることにより、焦点調節ステーションのハードウェアおよび組み立て時間を減らすことができる。より詳細には、一実施形態では、焦点調節ステーションは、フレームグラバ等の複雑なハードウェアおよび関連するソフトウェアを備えたコンピュータ処理ユニットをもはや必要としない。
【００４９】
むしろ、一実施形態では、焦点調節システムは、マイクロコントローラがわずかな処理タスクを実行し、レンズをイメージセンサから離間させる距離を変更するよう駆動部組立体に信号を送ることを要求するに過ぎない。各焦点調節ステーションを作製するのに必要なハードウェアおよび準備を減らすことにより、焦点調節ステーションを設ける費用全体が減る。さらに、焦点最適化プロセスにおいてフレームグラバのステップをなくすことにより、焦点最適化プロセスの速度が上昇する。
【００５０】
焦点最適化プロセス１５０の速度は、テストターゲット８６を表す画像の分散を求めるプロセスをさらに変更することにより、さらに上昇させることができる。例えば、図４をさらに参照して説明するように、テストターゲット８６を表す原画像の全範囲を解析するのではなく、破線２００で概ね示す少なくとも１つの対象領域を表す画像の範囲のみを解析する。
【００５１】
例えば、カメラモジュール４０の焦点テストモードは、原画像の対象領域２００のみを解析するように構成される。対象領域２００は、背景１１０の少なくとも一部、ならびに背景１１０と対象物１１２との間の境界線を含む対象物１１２の一部を表すため、原画像全体ではなく対象領域２００のみを考慮することを除いて、上述と同様の分散を求める方法が達成される。したがって、解析される画素が少なくなるため、焦点最適化プロセスを達成するのに必要な時間全体が短縮される。この実施形態では、イメージセンサ１４は、テストターゲット８６のレイアウトの従来の知識を用いて、解析された対象領域２００が背景１１０の一部およびテスト対象物１１２の一部、ならびにそれらの間に形成された境界線を含むようにプログラムされる。
【００５２】
一実施形態では、複数の対象領域が原画像内から選択され、画像の分散を求めるのに用いられる。例えば、一実施形態では、対象領域２００が特定されるだけではなく、さらなる対象領域２０２も特定されて解析される。一実施形態では、対象領域２００および２０２は、原画像内で画定されるため、焦点最適化プロセス１５０により得られる全焦点レベルは、取り込まれている画像の焦点をより正確に示す。
【００５３】
特に、レンズ１２は通常、丸形または球状に加工されるため、画像の中央（対象領域２００等）で最適化されるように焦点調節すると、画像の縁部付近（対象領域２０２等）で最適な焦点（結像状態）を示さない場合がある。したがって、原画像内の種々の位置で対象領域２００および２０２を画定あるいは配置することにより、得られる分散は、画像全体の全体的または総合的な焦点調節精度を示す。特に、各対象領域２００または２０２は、背景１１０の一部、および、背景１１０と対象物１１２または１１４との間の境界を含む、対象物１１２または１１４を含む。一実施形態では、対象領域２００および２０２は合わせて、取り込み画像全体の５０％未満を画定する。一実施形態では、各対象領域２００および２０２はそれぞれ、取り込み画像の２５％未満を画定する。一例では、各対象領域２００および／または２０２はそれぞれ、取り込み画像の約５％を画定する。これに関して、対象領域２００および２０２を利用して、上述のものと同じ通常の焦点最適化プロセス１５０が利用される。さらに特定の実施形態では、各対象領域は取り込み画像の２％未満を画定し、複数の対象領域は合わせて、取り込み画像の１０％未満を画定する。しかしながら、各ステップにおいて解析される取り込み画像の部分がより小さいため、焦点最適化プロセス１５０を達成する速度全体は上昇する。
【００５４】
本明細書では特定の実施形態を図示および説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、図示および説明した特定の実施形態の代わりに多様な代替および／または等価の実施態様を用いることができることは、当業者には理解されよう。本出願は、本明細書で説明した具体的な実施形態のいかなる適応形態または変形形態も包含することが意図される。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】デジタルカメラの主要構成要素の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１のデジタルカメラのカメラモジュール組立体の一実施形態の分解斜視図である。
【図３】焦点調節ステーション内にある図２のカメラモジュールの一実施形態の斜視図である。
【図４】図３の焦点調節ステーションのテストターゲットの一実施形態の正面図である。
【図５】一般的な焦点最適化概念を示す焦点最適化グラフである。
【図６】図２のカメラモジュールの、図５に概念に基づいた焦点最適化プロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
【図７】図６の焦点最適化プロセス内の画像の分散を求めるプロセスを示すフローチャートである。
【図８】図６の焦点最適化プロセスに従ったテストターゲットのシフトを示す正面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１２  レンズ
１４  イメージセンサ
１６  シャッタコントローラ
１８  プロセッサ
２０  メモリ
２２  Ｉ／Ｏインタフェース
２４  シャッタボタン
２８  ユーザ入力装置
３０  制御ソフトウェア
４０  カメラモジュール
４６  バレル
８０  焦点調節ステーション
８２  マイクロコントローラ
８６  テストターゲット
１１０  背景
１１２、１１４  対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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